Implementación de un prototipo sistema para transporte de producto congelado, refrigerado a base de placas eutécticas recargables

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(1)ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO. FACULTAD DE MECÁNICA ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL. “IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO-SISTEMA PARA TRANSPORTE DE PRODUCTO CONGELADO, REFRIGERADO A BASE DE PLACAS EUTÉCTICAS RECARGABLES”. ORTIZ CEVALLOS NICOLÁS ALFONSO. TESIS DE GRADO Previa a la obtención del Título de:. INGENIERO INDUSTRIAL RIOBAMBA – ECUADOR 2015.

(2) ESPOCH Facultad de Mecánica. CERTIFICADO DE APROBACIÓN DE TESIS 2014-07-31 Yo recomiendo que la Tesis preparada por: ORTIZ CEVALLOS NICOLÁS ALFONSO Titulada: “IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO-SISTEMA PARA TRANSPORTE DE PRODUCTO CONGELADO, REFRIGERADO A BASE DE PLACAS EUTÉCTICAS RECARGABLES”. Sea aceptada como parcial complementación de los requerimientos para el título de:. INGENIERO INDUSTRIAL. Ing. Marco Santillán Gallegos DECANO DE LA FAC. DE MECÁNICA. Nosotros coincidimos con esta recomendación:. Ing. Carlos Santillán M. DIRECTOR DE TESIS. Ing. Jesús Brito C. ASESOR DE TESIS.

(3) ESPOCH Facultad de Mecánica. CERTIFICADO DE EXAMINACIÓN DE TESIS NOMBRE DEL ESTUDIANTE:. ORTIZ CEVALLOS NICOLÁS ALFONSO. TÍTULO DE LA TESIS: “IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO-SISTEMA PARA TRANSPORTE DE PRODUCTO CONGELADO, REFRIGERADO A BASE DE PLACAS EUTÉCTICAS RECARGABLES” Fecha de Examinación: 2015-08-21. RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN: COMITÉ DE EXAMINACIÓN Ing. Marco Santillán Gallegos PRESIDENTE TRIB. DEFENSA Ing. Carlos Santillán M. DIRECTOR DE TESIS Ing. Jesús Brito C. ASESOR. APRUEBA. NO APRUEBA. FIRMA. * Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.. RECOMENDACIONES:. El Presidente del Tribunal certifica que las condiciones de la defensa se han cumplido.. Ing. Marco Santillán Gallegos PRESIDENTE DEL TRIBUNAL.

(4) DERECHOS DE AUTORÍA El trabajo de grado que presento, es original y basado en el proceso de investigación y/o adaptación tecnológica establecido en la empresa Cora Refrigeración Cía. Ltda. En tal virtud, los fundamentos teóricos-científicos y los resultados son de exclusiva responsabilidad del autor. El patrimonio intelectual le pertenece a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.. Nicolás Alfonso Ortiz Cevallos.

(5) DEDICATORIA El desarrollo de esta tesis de grado se la dedico a mi hijo Martín Aquiles, la mayor bendición y razón fundamental de mi esfuerzo cotidiano. A mi abuelo Aquiles Ortiz (+) por su apoyo y aliento en las dificultades, y por su grata compañía en circunstancias favorables, a mis padres y hermanos que me han dado un respaldo incondicional y permanente. A los buenos profesores que impartieron su conocimiento con disciplina y esfuerzo, con el objetivo fundamental de formar excelentes profesionales. Nicolás Alfonso Ortiz Cevallos.

(6) AGRADECIMIENTO Agradezco a Dios por la vida, y las oportunidades que me ha brindado, permitiéndome llegar al final de este camino con salud y entusiasmo. A la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo por haberme acogido y entregarme una herramienta fundamental en mi vida, mi profesión. A la escuela de Ingeniería Industrial, que la llevo muy dentro de mi corazón. Y a mis buenos amigos, compañeros de carrera, en la vida laboral serán mis colegas. Nicolás Alfonso Ortiz Cevallos.

(7) CONTENIDO Pág. 1. 1.1 1.2 1.3. INTRODUCCIÓN Antecedentes ................................................................................................. 1 Justificación .................................................................................................... 1 Objetivos ........................................................................................................ 3. 2. 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.1.8 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.4 2.4.1. MARCO TEÓRICO Termodinámica de refrigeración, estado actual del arte.................................. 5 Energía y potencia térmica. ............................................................................ 5 Energía en forma de calor. ............................................................................. 5 Potencia frigorífica. ......................................................................................... 5 Eficiencia energética o rendimiento. ............................................................... 6 Primera ley de la termodinámica..................................................................... 6 Entalpía. ......................................................................................................... 7 Calor sensible y calor latente. ......................................................................... 7 Calor específico. ............................................................................................. 8 Comportamiento termodinámico de una sustancia ......................................... 8 Condiciones macroscópicas de un gas ideal. ................................................. 8 Fusión y solidificación. .................................................................................... 9 Vaporización y condensación. ........................................................................ 9 Estado saturado. ............................................................................................ 9 Líquido subenfriado. ......................................................................................10 Vapor sobrecalentado....................................................................................10 Diagrama temperatura-entalpía del agua.......................................................10 Refrigeración mecánica .................................................................................10 Capacidad del sistema de refrigeración mecánica. ........................................11 Segunda ley de la termodinámica. .................................................................11 Máquina frigorífica. ........................................................................................13 Primera ley de la termodinámica aplicada a la máquina frigorífica. ................14 Eficiencia de un sistema frigorífico.................................................................14 Termodinámica aplicada a la refrigeración ....................................................15 Comportamiento del vapor refrigerante en correspondencia con la presión y temperatura. ..................................................................................................15 Vaporización y equilibrio térmico de un refrigerante.......................................15 Regulación de la temperatura de vaporización por medio de la presión. .......16 Conservación de refrigerante líquido en el evaporador. .................................17 Ciclo completo de refrigeración. ....................................................................17 Descripción de las componentes de un sistema de refrigeración básico........18 Diagrama entálpico de los refrigerantes.........................................................19 Presión-Entalpía. ...........................................................................................19 Ciclo teórico de refrigeración .........................................................................21 Comportamiento del refrigerante en un sistema de refrigeración. ..................21 Cálculo de la capacidad frigorífica requerida .................................................22 Valores enfocados al producto: .....................................................................22 Valoración enfocada al montaje: ....................................................................23 Calor que ingresa al sistema aislado por conductividad. ................................24 Calor introducido por el ingreso del producto. ................................................26 Aportes de calor debidos a la actividad química y/o fisiológica ......................28 Ingreso de calor por renovación de aire. ........................................................30. 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.5 2.5.1 2.6 2.6.1 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 2.7.5 2.7.6.

(8) 2.7.7. Ingreso de calor debido al trabajo realizado por los motores, ventilación e iluminación. ...................................................................................................32 2.7.8 Ingreso de calor por aporte corporal humano. ...............................................34 2.7.9 Otras formas de ingreso de calor y seguridad para el cálculo de la aportación final................................................................................................................35 2.7.10 Aportación total de calor. ...............................................................................35 2.7.11 Potencia térmica del equipo...........................................................................35 2.7.11.1 Cálculo de la potencia frigorífica en congelación. ..........................................36 2.7.11.2 Disipación del calor extraído por el condensador al medio externo. ...............36 2.8 Refrigerantes .................................................................................................37 2.8.1 Fluido frigorígeno. ..........................................................................................37 2.8.2 Tipo de frigorígenos. ......................................................................................37 2.8.3 Propiedades generales que deben cumplir los fluidos frigorígenos................37 2.8.4 Refrigerante R-404 A. ....................................................................................39 2.8.5 Aplicaciones. .................................................................................................40 2.9 Aislamiento térmico .......................................................................................40 2.9.1 Barrera anti vapor. .........................................................................................41 3.. 3.2.1 3.2.2 3.2.3. CÁLCULO Y DISEÑO DEL PROTOTIPO SISTEMA PARA TRANSPORTE DE PRODUCTO CONGELADO Establecimiento de las funciones inherentes y las características técnicas ...42 Los resultados arrojados por el estudio de mercado fueron los siguientes. ...42 Problemas en sistemas basados en el movimiento del cigüeñal del motor. ...43 Problemas en sistemas de congelación por convección natural. ...................44 Establecimiento del requerimiento. ................................................................45 Determinación y descripción de cada uno de los períodos del prototiposistema ..........................................................................................................46 Período de carga de la placa eutéctica. .........................................................46 Período de introducción del producto congelado. ..........................................46 Período de distribución del producto congelado. ...........................................47. 4. 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 4.2.9 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 4.5.6. CÁLCULO DE LA POTENCIA FRIGORÍFICA Aislamiento térmico para la caja térmica........................................................48 Cálculo de la carga térmica con producto congelado .....................................49 Calor ingresado por conducción a través de piso, techo o paredes. ..............49 Calor ingresado considerando la superficie total............................................49 Calor introducido por las mercancías. ............................................................51 Aportes de calor realizados por la actividad química y/o fisiológica ...............52 Aportaciones de calor producidas por la renovación del aire .........................52 Aportaciones procedentes de los motores, ventilación e iluminación. ............54 Aportaciones originadas por la entrada de personal. .....................................54 Aportaciones diversas y coeficiente de seguridad. ........................................54 Aportaciones totales. .....................................................................................55 Período de carga de la placa eutéctica ..........................................................55 Solución eutéctica. ........................................................................................55 Cantidad de energía acumulada en la placa eutéctica. ..................................56 Potencia frigorífica requerida para la placa eutéctica. ....................................56 Capacidad frigorífica proyectada en el condensador .....................................57 Cálculo de la capacidad frigorífica necesaria en la unidad condensadora fija 57 Punto final de condensación. .........................................................................57 Proceso de expansión. ..................................................................................58 Proceso de vaporización. ..............................................................................58 Balance energético del evaporador. ..............................................................58 Caudal másico del refrigerante. .....................................................................59 Producción frigorífica volumétrica. .................................................................59. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2.

(9) 4.5.7 4.5.8 4.5.9 4.5.10 4.5.11 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4. Caudal volumétrico desplazado por el compresor. ........................................59 Proceso de compresión. ................................................................................60 Proceso de condensación..............................................................................60 Características requeridas en el compresor. ..................................................61 Conexión eléctrica del sistema. .....................................................................61 Partes del prototipo y de la unidad condensadora .........................................62 Caja térmica ensamblada. .............................................................................62 Despiece de la caja térmica. ..........................................................................62 Despiece de la puerta y accesorios. ..............................................................63 Accesorios. ....................................................................................................64. 5. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 5.19 5.20 5.21 5.22 5.23 5.24 5.25 5.26 5.27 5.28 5.29 5.30 5.31 5.32 5.33 5.34 5.35 5.36 5.37 5.38 5.39 5.40 5.41 5.42 5.43. PROCEDIMIENTO PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO SISTEMA Aislamiento y armado de la caja térmica........................................................69 Perforación de la caja térmica .......................................................................70 Preparación de la placa eutéctica ..................................................................70 Recorte de la placa eutéctica.........................................................................70 Soldadura de la placa eutéctica con suelda MIG ...........................................71 Colocación de válvulas de servicio ................................................................72 Prueba de presión con Nitrógeno gaseoso ....................................................72 Colocación de válvula Rotalock en el compresor ...........................................73 Instalación de válvula rotalock en acumulador de líquido ..............................73 Colocación de compresor, acumulador de líquido y condensador .................73 Ensamblaje de base, motor y aspa de sistema de ventilación .......................74 Suelda de válvula rotalock .............................................................................75 Colocación de visor de líquido al acumulador de líquido y ventilador .............75 Soldadura de tubería de aspiración del compresor al sistema .......................75 Ensamble de tubería de cobre y tuerca de bronce .........................................76 Conexión de codo de cobre a visor de líquido ...............................................76 Instalación de válvula unidireccional ..............................................................77 Suelda de tubería de cobre............................................................................77 Preparación de aceite ecológico e introducción del mismo al compresor.......77 Colocación del filtro secador ..........................................................................78 Colocación de tubería y tuerca de bronce a filtro secador .............................79 Instalación de válvula solenoide ....................................................................79 Instalación de válvula unidireccional a válvula solenoide ...............................79 Introducción de líquido eutéctico en placa .....................................................80 Esmerilado de escoria ...................................................................................81 Preparación de soporte de la placa eutéctica ................................................81 Remache de acoples rápidos a mangueras de alta y baja presión ................82 Conexión de válvula de expansión a tubería de alta de placa eutéctica ........83 Prueba de presión a placa eutéctica con válvula de expansión .....................84 Conexión de válvula KVL a compresor ..........................................................85 Montaje de placa eutéctica a caja térmica .....................................................85 Instalación de mangueras de alta y baja presión a unidad condensadora .....87 Colocación del sistema eléctrico ....................................................................87 Colocación de presóstatos, visor de temperatura caja eléctrica.....................88 Pintado de placa eutéctica en caja térmica ....................................................88 Colocación de bobina solenoide a 110V ........................................................89 Ensamblado de acoples rápidos al sistema ...................................................89 Vacío .............................................................................................................90 Colocación sobre sistema móvil y carga del refrigerante ...............................90 Implementación del prototipo sistema en un vehículo de prueba ...................90 Colocación de producto congelado ................................................................91 Distribución del producto congelado ..............................................................91 Resultados ....................................................................................................92.

(10) 6. 6.1 6.1.1 6.1.2 6.2. ANÁLISIS DE COSTOS Recursos .......................................................................................................93 Humanos .......................................................................................................93 Financieros ....................................................................................................93 Costos ...........................................................................................................93. 7. 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 8. 8.1 8.2. OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO PREVENTIVO Mediciones y monitoreo .................................................................................98 Encendido y funcionamiento del prototipo sistema ........................................98 Condición de operación .................................................................................99 Prácticas de aplicación ..................................................................................99 Programación de los períodos de mantenimiento ........................................100 Mantenimiento semanal: ..............................................................................100 Mantenimiento semestral. ............................................................................100 Procedimiento para la realización de un mantenimiento correctivo. .............101 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones ...............................................................................................102 Recomendaciones .......................................................................................103. BIBLIOGRAFÍA ANEXOS.

(11) LISTA DE TABLAS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17. Magnitudes físicas .......................................................................................... 5 Dimensiones de recipientes y masas.............................................................27 Calor específico de algunos productos ..........................................................28 Aportaciones de calor por tipo de producto en kJ/día ....................................29 Aperturas de puertas recomendadas conforme al volumen ...........................31 Tabla comparativa de aislamientos térmicos .................................................48 Resultados al finalizar la etapa de condensación ..........................................57 Resultados del proceso de refrigeración durante la expansión del refrigerante ......................................................................................................................58 Resultados correspondientes a la finalización de la vaporización del refrigerante ....................................................................................................58 Resultados de la compresión del refrigerante en el sistema ..........................60 Resultados del cambio de entalpía durante el cambio de fase cuando el refrigerante comienza el proceso de condensación .......................................60 Condiciones requeridas para el funcionamiento del sistema frigorífico ..........61 Características requeridas en el compresor ...................................................61 Resumen de resultados, tras realizar la distribución de producto congelado. 92 Costos unitarios y totales de equipos, materiales y accesorios ......................93 Costos directos e indirectos ...........................................................................97 Check list para el mantenimiento del prototipo-sistema .................................99.

(12) LISTA DE FIGURAS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38. Transferencia de calor de un medio a otro...................................................... 5 Variación de energía en relación con el calor y el trabajo en un sistema ........ 7 Variación de la presión, temperatura y volumen de un gas ideal de masa m confinado a un cilindro .................................................................................... 9 Cambio de estado del agua a presión atmosférica .......................................10 Compresor y turbina ......................................................................................12 Máquina frigorífica .........................................................................................13 Máquina frigorífica .........................................................................................13 Máquina frigorífica .........................................................................................14 Vaporización de un refrigerante 134A a presión atmosférica .........................15 Vapor refrigerante a una presión mayor a la atmosférica ...............................16 Vapor refrigerante a menor presión que la presión atmosférica .....................16 Refrigerante líquido en el evaporador ............................................................17 Refrigerante vapor y líquido en el serpentín del evaporador ..........................17 Refrigerante vapor y líquido en el serpentín del evaporador y condensador ..18 Condiciones del refrigerante en un ciclo de compresión y expansión ............19 Regiones del diagrama Presión-Entalpía .......................................................20 Representación de las condiciones del refrigerante en el diagrama PresiónEntalpía .........................................................................................................21 Distribución de sistemas adiabáticos .............................................................23 Transferencia de calor por conductividad, por diferencial térmico entre el exterior e interior del recinto frigorífico ...........................................................24 Dimensión exterior para cálculo de transferencia de calor por conducción por las paredes ....................................................................................................25 Aportaciones de calor por trabajo de motores................................................32 Aportación de calor por iluminación ...............................................................33 Superficie exterior de la caja térmica .............................................................50 Diagrama temperatura-entalpía específica de la solución eutéctica facilitada por el fabricante .............................................................................................55 Diagrama para análisis de las condiciones del refrigerante en cada una de sus etapas por el sistema.....................................................................................58 Diagrama eléctrico del sistema ......................................................................61 Prototipo-sistema...........................................................................................62 Despiece .......................................................................................................62 Despiece de la puerta ....................................................................................63 Diseño de la placa eutéctica ..........................................................................64 Componentes de la placa eutéctica ...............................................................64 Compresor hermético CAJ2464Z...................................................................64 Bobina solenoide marca Danfoss a 110V, y válvula marca Danfoss acoplada y accionada por la bobina.................................................................................65 Válvula unidireccional, marca Danfoss ..........................................................65 Motor ventilador a 110V, aspa de 8”, marca ELCO ........................................65 Válvula de servicio de alta presión 3/8”, marca Danfoss ................................65 Acumulador de líquido ...................................................................................66 Visor de líquido ..............................................................................................66.

(13) 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82. Filtro secador .................................................................................................66 Aceite ecológico ............................................................................................66 Válvula de expansión, con orificio Nro. 2, regulación externa, para refrigerante R404a, marca Danfoss ..................................................................................67 Acople de alta presión ...................................................................................67 Acople de baja presión ..................................................................................67 Válvula de servicio de 5/8” (KVL) ...................................................................67 Protector eléctrico del sistema .......................................................................68 Armado del aislamiento .................................................................................69 Recubrimiento y acabado de aislamiento exterior..........................................69 Perforación del sistema .................................................................................70 Armado de la placa metálica importada .........................................................70 Recorte de la placa eutéctica con una moladora con disco de corte ..............71 Reducción de material de la placa y recorte de tubería .................................71 Reducción de material de la placa y recorte de tubería .................................71 Soldadura de las válvulas de servicio con la tubería de la entrada y salida de la placa ..........................................................................................................72 Sellado con varilla de plata al 15% ................................................................72 Revisión de fuga con refrigerante a alta presión ............................................72 Válvula Rotalock colocado para aspiración de refrigerante hacia el compresor ......................................................................................................................73 Válvula Rotalock colocada en secuencia con el acumulador de líquido .........73 Montaje sobre base de compresor, condensador y tubería ...........................74 Sistema anti vibración....................................................................................74 Ensamblado de base, motor y aspa...............................................................74 Suelda de válvula rotalock al acople ..............................................................75 Ensamblado de visor de líquido al acumulador de refrigerante líquido y al ventilador del condensador ............................................................................75 Soldadura de tubería de aspiración del refrigerante ......................................75 Tubería de cobre con tuerca de bronce .........................................................76 Tuerca y tubería de cobre ..............................................................................76 Visor de líquido conectado en secuencia con la tubería ................................76 Soldadura de la válvula unidireccional al sistema ..........................................77 Soldadura de tubería de cobre ......................................................................77 Medida de la cantidad de aceite a introducir al sistema .................................77 Aceite introducido al sistema frigorífico ..........................................................78 Introducción de filtro a tubería .......................................................................78 Soldadura de tubería de cobre con boca de filtro...........................................78 Tubería con tuerca de broce soldada a boca de salida de filtro secador ........79 Conexión de válvula solenoide al sistema .....................................................79 Ajuste de válvula solenoide ...........................................................................79 Medida de líquido eutéctico ...........................................................................80 Ingreso de líquido eutéctico a la placa ...........................................................80 Segunda cantidad de líquido eutéctico ingresado al sistema .........................80 Sellado de placa eutéctica .............................................................................80 Esmerilado de escoria tras soldadura ............................................................81 Soldadura de soporte de sujeción de la placa eutéctica ................................81 Pintado de soporte de sujeción de la placa eutéctica.....................................81.

(14) 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113. Remache de acople rápido a manguera ........................................................82 Juego de acople rápido tras suelda ...............................................................82 Acople con junta a manguera ........................................................................82 Acople rápido de alta presión con juego completo .........................................82 Acople rápido de baja presión con juego completo ........................................83 Tuerca de bronce con tubería a entrada de placa eutéctica...........................83 Conexión roscada de válvula de expansión ...................................................83 Soldadura de tubería de cobre a salida de placa eutéctica ............................84 Conexión de tubería a entrada de válvula de expansión................................84 Soldadura de válvulas de servicio al sistema .................................................84 Prueba de presión en el sistema de tubería de la placa eutéctica .................84 Conexión de válvula KVL al sistema ..............................................................85 Control de temperatura en la soldadura de la válvula KVL ............................85 Montaje de la placa eutéctica a la caja térmica ..............................................85 Tubería atravesando la placa eutéctica .........................................................86 Suelda de codo de cobre para continuar secuencia de tubería ......................86 Ajuste de válvulas con agujas........................................................................86 Colocación de abrazaderas a la manguera con la tubería de cobre...............87 Cierre del circuito frigorífico con válvula KVL con acoples a manguera de baja presión ..........................................................................................................87 Conexión del sistema eléctrico ......................................................................87 Conexión de presóstatos de baja y alta presión, controlador de temperatura y caja eléctrica .................................................................................................88 Caja térmica pintada tras montaje de placa eutéctica ....................................88 Conexión de la bobina solenoide ...................................................................89 Conexión del sistema de acoples rápidos a mangueras de presión ...............89 Conexión de sistema de carga frigorífica .......................................................89 Vacío en el sistema .......................................................................................90 Carga de refrigerante y funcionamiento de unidad condensadora móvil ........90 Montaje de la caja térmica en el vehículo de prueba .....................................90 Montaje y ajuste de caja térmica al cajón ......................................................91 Producto congelado listo para ser distribuido ................................................91 Distribución de producto congelado ...............................................................91.

(15) SIMBOLOGÍA. kWh. Kilovatio hora. J. V. Voltaje. V. Q. Calor. J. q. Calor por unidad de masa. CV. Costo variable. CT. Costo total. USD. CF. Costo fijo. USD. QF. Calor del depósito frío. J. QC. Calor del depósito caliente. J. J/Kg USD/unidad.

(16) LISTA DE ABREVIACIONES. KVL. Válvula de servicio para aspiración del compresor. CÍA. Compañía. LTDA. Limitada. COMEX Comité de comercio exterior TF. Depósito frío. TC. Depósito caliente. CFC. Clorofluorcarburos. HCFC. Hidroclorofluorocaburos. HCF. Hidrofluorocarburos. PFC. Perfluorocarburos. HC. Hidrocarburos. ODP. Medida de afección a la capa de ozono. GWP. Medida de contribución al efecto invernadero. PAG. Polialquilenglicol. POE. Ésteres Poliólicos. MIG. Soldadura a gas y arco metálico.

(17) LISTA DE ANEXOS. A. Catálogo del compresor.

(18) RESUMEN En la presente investigación se desarrolló un prototipo-sistema para transportar producto congelado, refrigerado a base de placas con solución eutéctica cuyo punto de congelación se establecería en -33 °C. Se empezó realizando un cálculo de potencia frigorífica con relación al aislamiento térmico seleccionado, las condiciones medioambientales, la carga térmica, las aperturas de puertas, el calor proporcionado por el ser humano y el volumen. Asimismo se realizó el diseño del prototipo sistema considerando factores energéticos, logísticos y frigoríficos con la finalidad de que el producto sea comercialmente competitivo, con el respaldo de información suministrada por un estudio de mercado realizado previamente por la empresa auspiciante. Con la finalidad de determinar la potencia frigorífica requerida se establecieron tres períodos de funcionamiento del prototipo sistema, el período de carga de la placa eutéctica es la base para la obtención de la potencia frigorífica requerida, mientras el período de introducción del producto congelado y el período de distribución de producto congelado entregaran la cantidad de calor que ingresaría al sistema y que sería almacenado por la placa eutéctica. El único período en el que se expulsaría calor al medio condensante sería en el período de carga de la placa eutéctica y este valor sería de 9100,85 kJ. El aislamiento seleccionado fue el poli isocianurato, con doble barrera antivapor de 100 mm de espesor con un coeficiente de conductividad térmica de 0,026 W/°C·m, la potencia frigorífica durante el período de carga fue de 590 W. Se documentó el procedimiento de fabricación del sistema con la finalidad de que pueda ser replicado en serie y se estableció un plan de mantenimiento semanal y mensual. El costo del proyecto fue de 6679,20 USD..

(19) ABSTRACT In this research a prototype-system is developed to transport frozen product refrigerated based on plates with eutectic solution, where the freezing point, would be established at -33 °C. It began, performing a calculation of cooling power with respect to thermal insulation selected, environmental conditions, the thermal load, door openings, the heat provided by humans and volume. Also it took place, the design of the prototype system considering, energy, logistics and refrigerators factors in order to make the product commercially competitive, supported by information provided by market research previously conducted by the sponsoring company. In order to determine the required cooling capacity three periods of operation of the prototype system were established, the charging period of the eutectic plate would be the basis for obtaining the required cooling capacity, while the period of introduction of the frozen product and distribution period, of frozen product would deliver the amount of heat would enter into the system and would be stored by the eutectic plate. The only period in which the condensing heat medium would be ejected in the charging period of the eutectic plate and this value would be 9100.85 kJ. The selected insolation was poly-isocyanurate, dual vapor barrier, of 100 mm thickness with thermal conductivity coefficient of 0.026 W/°C·m, the cooling capacity during the charge was 590 W. It was documented, the manufacturing process system, in order that can be replicated in series and a plan weekly and monthly maintenance was established. The project cost was 6679.20 USD..

(20) CAPÍTULO I 1.. INTRODUCCIÓN. 1.1. Antecedentes. Desde marzo de 2015, por las restricciones a las importaciones impuesto por el pleno del comité de comercio exterior (COMEX) del gobierno del Ecuador, la empresa CORA REFRIGERACIÓN CÍA LTDA., dedicada desde hace 25 años a la importación de equipos, materiales, accesorios y repuestos de refrigeración creó el departamento de investigación y desarrollo para diseñar, calcular e implementar productos cuya importación se restringió y desde un punto de vista logístico la fabricación es viable realizarla en el país. Por medio de éste departamento se respaldan económica y logísticamente proyectos que solucionen problemas tecnológicos en el campo de la refrigeración, que sean innovadores y que su reproducción a gran escala sea viable y rentable. (Resolución No. 011-2015, 2015) En el Ecuador el desarrollo de nuevas tecnologías en sistemas para transporte de producto congelado más eficientes en términos energéticos ha sido innecesario debido a que la utilización de combustibles subsidiados como fuente de energía representa para el consumidor un costo más bajo frente a otras fuentes de energía. En el futuro las políticas económicas y energéticas del Ecuador se focalizarán en el consumo del diésel y la gasolina con el fin de eliminar parcialmente el subsidio existente (se subsidiará un máximo de 300 galones de gasolina al año por vehículo), al mismo tiempo que la matriz productiva se enfoca en proyectar a la electricidad como la mayor fuente de energía del país, tras la construcción de nueve hidroeléctricas el gobierno prevé disminuir el costo del kWh, lo que representa una oportunidad para el presente proyecto. (ANDES, 2013) 1.2. Justificación. Actualmente en el Ecuador, la mayor parte de vehículos diseñados para la distribución de producto congelado emplean sistemas de congelación cuyo funcionamiento se basa en la transmisión de movimiento desde el cigüeñal al compresor por medio de bandas y poleas. Estos sistemas de transporte de producto congelado funcionan únicamente cuando el vehículo se encuentra encendido, así que para que el producto se mantenga congelado el vehículo no podrá apagarse aunque no tenga necesidad de circular, y esto 1.

(21) puede durar largos períodos de tiempo generándose así un mayor consumo de combustible y contaminación. Una segunda desventaja tiene relación directa con el estado en el movimiento del vehículo. Estos sistemas están diseñados para que el aire ingrese al condensador y enfríe el refrigerante mientras el vehículo se encuentra en movimiento, de modo que mientras mayor sea la velocidad de desplazamiento del vehículo, mayor será el flujo de aire que enfriará el refrigerante en el condensador pero si el vehículo se encuentra estático no recibiría este importante flujo de aire en el condensador. Existe un riesgo latente al distribuir producto congelado con estos sistemas, ya que dependen directamente del sistema mecánico y eléctrico del vehículo, de modo que al presentarse una falla mecánica o eléctrica que impida el normal funcionamiento del sistema de refrigeración, el producto podría afectarse si la reparación en el vehículo no fuese inmediata. Un segundo grupo de vehículos diseñados para transporte de producto congelado utilizan cámaras aisladas y refrigeradas con placas eutécticas, a diferencia del sistema de movimiento transmitido desde el cigüeñal del motor donde la refrigeración se da por ventilación forzada, en este sistema la congelación se produce por convección. Sin embargo, estos sistemas tienen la desventaja de llevar en la carrocería una unidad condensadora de gran volumen y peso, diseñada para funcionar con una alimentación eléctrica trifásica a 220 V, por tanto el sistema funcionaría únicamente cuando el vehículo se encuentre estático en un lugar donde exista el suministro de energía necesario. El trajín diario, propio de los vehículos dedicados al transporte de producto congelado, hacen que se genere problemas constantes en los sistemas de transporte que los vehículos llevan consigo, sumando el riesgo que corre el sistema ante una colisión. Por los puntos anteriormente citados, es necesario que las empresas que se dedican al negocio de la refrigeración innoven presentando al mercado soluciones prácticas y rentables para solucionar estos problemas, más aún cuando las políticas económicas y energéticas actuales en el país se proyectan a retirar los subsidios que el diésel y la gasolina han tenido desde hace décadas. Razón por la cual se vuelve imperante la necesidad de encontrar sistemas alternativos para el transporte de productos congelados, que cumplan con una serie de requerimientos inherentes. 2.

(22) Países donde el costo del combustible no justifica el uso de los sistemas de refrigeración dependientes del movimiento del cigüeñal se ha desarrollado diferentes tecnologías. El prototipo sistema a realizar en la presente tesis, presentará ventajas como: •. Sistema de enfriamiento por convección natural, utilizando placas eutécticas.. •. Unidad condensadora monofásica a 110 V, para recarga frigorífica de la placa eutéctica.. •. El sistema de refrigeración tendrá autonomía con respecto al sistema motriz del vehículo.. •. Menor desgaste y mayor vida útil para el vehículo.. •. Menor consumo de combustible.. •. Más seguridad en la conservación del producto congelado.. •. Menor contaminación.. •. Sistema adiabático aislado, sin puentes térmicos, con recubrimiento en fibra de vidrio.. •. Menor peso (menos desgaste de camión, más carga).. •. Mayor higiene.. 1.3. Objetivos. 1.3.1. Objetivo General. Implementar un prototipo-sistema para transporte de producto congelado, refrigerado a base de placas eutécticas recargables. 1.3.2 •. Objetivos Específicos Determinar los procesos que mantendrá el prototipo sistema durante su funcionamiento cotidiano, y describir cada uno de ellos. 3.

(23) •. Encontrar el mejor aislamiento para el prototipo-sistema, enfatizándose en el menor coeficiente de conductividad térmica, siempre y cuando cumpla con las características técnicas y las requeridas en el mercado.. •. Realizar un estudio para determinar la carga térmica que el sistema mantendrá en la distribución de producto congelado.. •. Determinar la potencia frigorífica requerida para la carga frigorífica de la placa eutéctica, conforme al tiempo contemplado para dicha carga.. •. Detallar el procedimiento de fabricación.. •. Realizar el diseño del prototipo-sistema así como la descripción de cada una de las partes que formará parte del prototipo sistema.. •. Elaborar un programa de mantenimiento preventivo que ayudará a alargar la vida útil del prototipo-sistema.. •. Realizar un análisis de costos.. •. Implementar el prototipo sistema en un vehículo de prueba y comprobar que los resultados obtenidos guarden relación con el estudio frigorífico realizado anteriormente.. 4.

(24) CAPÍTULO II 2.. MARCO TEÓRICO. 2.1. Termodinámica de refrigeración, estado actual del arte. 2.1.1. Energía y potencia térmica. La energía se refiere a la potencialidad teórica de. un sistema para realizar trabajo, esto no quiere decir que el trabajo llegue a realizase ni que sea de manera efectiva. Sólo se refiere a un posible trabajo. (FAUGHN, 2006) 2.1.2. Energía en forma de calor. Siendo el calor una forma de energía, ésta se. transfiere desde un cuerpo o sustancia de mayor temperatura a un cuerpo o sustancia de menor temperatura, y esta transferencia termina cuando se alcanza el equilibrio térmico. El calor se reconoce con la letra Q, y el calor por unidad de masa, con q. Figura 1. Transferencia de calor de un medio a otro. Fuente: Serway & Faughn, 2001, Física Termodinámica 2.1.3. Potencia frigorífica. La velocidad con el que el calor se transfiere de cuerpos. calientes a fríos se denomina rapidez de transferencia de calor, y se mide como el calor por unidad de tiempo: (SIERRA, 2012). 𝑃𝑂𝑇𝐸𝑁𝐶𝐼𝐴 𝑇𝐸𝑅𝑀𝐼𝐶𝐴 =. Magnitud. 𝐶𝐴𝐿𝑂𝑅. (1). 𝑇𝐼𝐸𝑀𝑃𝑂. Tabla 1. Magnitudes físicas Sistema Unidad. Símbolo. Potencia térmica Internacional. Vatio. W. Calor. Joule. J. Internacional. Tiempo Internacional Segundo s Fuente: González Sierra, 2012, Refrigeración Industrial Montaje y mantenimiento de instalaciones 5.

(25) 2.1.4. Eficiencia energética o rendimiento. Por medio del rendimiento energético de. una máquina se puede conocer la cantidad de energía aprovechada por una máquina para realizar trabajo útil. El rendimiento energético es un porcentaje que se obtiene por medio de la expresión. 𝜂 =. 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜. =. 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎. (2). 𝑃𝑝 ; 𝑃𝑐. (3). Donde: η = eficiencia energética Pu = potencia útil Pc = potencia consumida Pp = potencia perdida 𝜂 =. 𝑃𝑢 𝑃𝑐. = 1 −. 𝑃𝑢 = 𝑃𝑐 − 𝑃𝑝 2.1.5. (4). Primera ley de la termodinámica. El principio de la conservación de la energía. dice que si un sistema disminuye una cierta cantidad de energía, en otro sistema aparece el incremento de esa misma cantidad de energía. (GORIBAR, 2009) Este cambio en la energía se expresa por medio de la ecuación: 𝐸𝑒𝑛𝑡 – 𝐸𝑠𝑎𝑙 = ∆𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎. (5). Donde: ∆Esistema = diferencia de la energía de un sistema Eent = ingreso de energía a un sistema Esal = salida de energía a un sistema Por tanto, si el valor es positivo, el sistema ha tenido un incremento en su cantidad de energía, y si el valor es negativo, el sistema ha tenido una disminución de energía. Este principio tiene mucha importancia en el campo de la refrigeración pues la energía en forma de calor absorbida por el evaporador, será expulsada por el condensador. 6.

(26) Figura 2. Variación de energía en relación con el calor y el trabajo en un sistema. Fuente: Hernández Goribar, 2009, Fundamentos de Aire Acondicionado y Refrigeración 𝑄 – 𝑊 = ∆𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎. (6). Donde: Q = calor W = trabajo ∆Esistema = diferencia de la energía de un sistema 2.1.6. Entalpía. La entalpía es un término físico que se utiliza para describir la suma. de la energía interna de un cuerpo más la presión exterior por su volumen. (RUÍZ, 2011) 𝐻 = 𝑈 + (𝑝 · 𝑉). (7). Donde: H = Entalpía U = Energía interna P = Presión V = Volumen 2.1.7. Calor sensible y calor latente. El calor sensible se define como el cambio de. entalpía en una sustancia provocado por una variación en la temperatura, la cual puede darse por una adición o una eliminación de calor a la sustancia. (CRIOLLO, 1997) 𝑄𝑠 = 𝑚 · ∆ℎ𝑠 = 𝑚 · 𝑐𝑝 · ∆𝑇. (8). El calor latente se define como el cambio de entalpía en una sustancia debido a un cambio de fase, la cual suscita por una adición o una eliminación de calor, sin variación en la temperatura de la sustancia, únicamente su vaporización o fusión. 7.

(27) 𝑄𝑙 = 𝑚 · ∆ℎ𝑙. (9). Donde: Q = calor añadido o cedido por la sustancia m = masa [kg] ∆h = cambio de la entalpía por cada unidad de masa [kJ/kg] cp = calor específico [kJ/(kg·K)] ∆T = cambio de la temperatura [K] El calor total entregado o recibido por la sustancia equivale a la sumatoria del calor sensible y el calor latente entregado o recibido durante todo el proceso. 𝑄𝑡 = 𝑄𝑠 + 𝑄𝑙 = 𝑚 · ∆ℎ𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 2.1.8. (10). Calor específico. El calor específico es una característica inherente de cada. sustancia, que se define como la cantidad de calor que requiere una sustancia determinada para elevar su temperatura en un grado por unidad de masa. 𝐶𝑝 =. 𝑄 𝑚. · ∆𝑇. (11). Donde: cp = calor específico de la sustancia ([kJ·K]/kg) Q = calor agregado o eliminado. ∆T = variación en la temperatura [K] m = masa [kg] 2.2 2.2.1. Comportamiento termodinámico de una sustancia Condiciones macroscópicas de un gas ideal. Un gas ideal de masa m (valor. constante), confinado a un cilindro de un volumen V, una presión P y una temperatura T (las últimas tres magnitudes son variables) cambia sus condiciones a medida que cambian las variables señaladas. Existen tres leyes que rigen al gas ideal: . Ley de Boyle. Cuando la temperatura del gas permanece constante, la presión interna es inversamente proporcional al volumen. 8.

(28) . Ley de Gay Lussac. Cuando la presión se mantiene constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura.. . Ley de Charles.. Cuando permanece constante el volumen, la presión es. directamente proporcional a la temperatura. Figura 3. Variación de la presión, temperatura y volumen de un gas ideal de masa m confinado a un cilindro. Fuente: Hernández Goribar, 2009, Fundamentos de Aire Acondicionado y Refrigeración . Mezcla de gases o Ley de Dalton. Este principio establece que la presión total de los gases confinados es la sumatoria de cada uno. 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃1 + 𝑃2 + 𝑃3 + ⋯ 𝑃𝑛. 2.2.2. (12). Fusión y solidificación. La fusión y la solidificación son procesos suscitados en. todas las sustancias específicamente debidos a la aportación o eliminación de calor, que dan como resultado un cambio de fase sólido ↔ líquido. Son inherentes para cada sustancia en condiciones de presión y temperatura específicas. 2.2.3. Vaporización y condensación. La vaporización y la condensación son procesos. suscitados en todas las sustancias específicamente debidos a la aportación o eliminación de calor, que dan como resultado un cambio de fase líquido ↔ vapor. Son inherentes para cada sustancia en condiciones de presión y temperatura específicas. 2.2.4. Estado saturado.. Se define como estado saturado a la condición de. temperatura y presión a la cual hierve una determinada sustancia en estado líquido y 9.

(29) como punto de ebullición se entiende a la temperatura y presión de saturación. 2.2.5. Líquido subenfriado.. Cualquier sustancia que se encuentre con una. temperatura por debajo del estado saturado se puede considerar líquido subenfriado. Esta es una condición que adquieren los refrigerantes una vez que han expulsado el calor al medio condensante. 2.2.6. Vapor sobrecalentado.. Cuando una sustancia se encuentra en estado de. vapor, por encima de la temperatura de estado saturado, se dice que su estado es de vapor sobrecalentado, este término se suele utilizar cuando el refrigerante ha finalizado la etapa de vaporización habiendo absorbido el calor del recinto refrigerado. 2.2.7. Diagrama temperatura-entalpía del agua. Figura 4. Cambio de estado del agua a presión atmosférica. Fuente: González Sierra, 2012, Refrigeración Industrial Montaje y mantenimiento de instalaciones 2.3. Refrigeración mecánica. En los procesos de refrigeración, la sustancia utilizada para la absorción del calor se llama refrigerante, en el evaporador el refrigerante deberá estar a una menor temperatura que el medio a refrigerar, en esta parte del proceso de refrigeración el refrigerante podrá absorber el calor como calor latente (mientras absorbe calor no varía la temperatura del refrigerante, únicamente cambia su fase) o como calor sensible (mientras absorbe calor sólo varía la temperatura del refrigerante). (SIERRA, 2012) 10.

(30) 2.3.1. Capacidad del sistema de refrigeración mecánica.. En un sistema de. refrigeración mecánico, la capacidad se define en función de la rapidez con la cual elimina el calor del medio a refrigerar. El refrigerante no se vaporiza por completo en el evaporador, es decir el efecto refrigerante es menor que el calor latente en el proceso de vaporización. Es importante señalar que la capacidad frigorífica de un sistema de refrigeración está dado por factores tales como: • La cantidad de refrigerante en masa por unidad de tiempo (kg/s), en el sistema Internacional. • La variación de la entalpía en energía por masa (kJ/kg), en el sistema Internacional. Estos dos factores nos permiten obtener la potencia frigorífica requerida por el compresor, en kW. Este valor es de mucha importancia, ya que, si el compresor designado realiza la aspiración del refrigerante con menor caudal másico al requerido, se generaría un aumento en la presión de vaporización y aumentaría la temperatura de saturación del refrigerante. Por otro lado, si el compresor aspira el refrigerante con mayor caudal másico al requerido, disminuye la presión de vaporización, generando temperaturas menores a las requeridas (afectaciones al producto) y un desperdicio de la energía. La condición óptima en la designación de un compresor es tal que el desplazamiento del volumen del vapor generado en el evaporador mantenga constante la presión necesaria para el normal proceso de evaporación del refrigerante. (BALBOA, 2012) 2.3.2. Segunda ley de la termodinámica. La Entropía (S), es una función de estado. que guarda relación con el grado de desorden de un sistema. La entropía es de utilidad ya que permite conocer la calidad de la energía y la reversibilidad o no de los procesos. Es decir, la primera ley de la termodinámica señala el trabajo que puede realizar una cantidad de calor, sin embargo con la segunda ley se puede encontrar que no todo el calor puede convertirse en trabajo, o que el calor pueda pasar de un cuerpo de menor temperatura a otro cuerpo de mayor temperatura. Por tanto cualquier proceso deberá satisfacer tanto la primera como la segunda ley de la termodinámica. 11.

(31) La entropía es una cantidad de la energía presente en un sistema que no puede utilizarse, es decir no puede producir trabajo ni puede transferirse como calor. Y esta energía agregada al sistema se define como energía (calor) sobre temperatura (en grados Kelvin). ∆𝑆 = 𝑄/𝑇 (𝐽/𝐾). (13). Únicamente en sistemas reversibles (que cada estado entre el estado inicial y final se encuentra en estado de equilibrio, y se puede invertir y/o regresar al estado inicial) se puede considerar una igualdad en la entropía, pero en procesos irreversibles (reales) esta expresión siempre será una desigualdad. Un proceso de compresión de refrigerante realiza trabajo. Puede considerarse un proceso isentrópico, donde la entropía permanece constante, es decir no existe una variación en la entropía, la compresión de refrigerante se acerca a lo que se conoce como un proceso isentrópico. Puesto que no se agrega ni se expulsa calor, también es un proceso adiabático. 𝑄𝑟𝑒𝑣 = 0 → ∆𝑆 = 0 → 𝑆 = 𝑐𝑡𝑒. (14). Se considera a un proceso isentrópico como un proceso ideal, el cual se acerca a este mientras se logre el mínimo trabajo posible. Mientras exista trabajo aumentará la entropía por lo tanto el objetivo será reducirla al mínimo. (CAO, 2011) Este estudio es de gran utilidad en el diseño de compresores y bombas. Figura 5. Compresor y turbina. Fuente: Hernández Goribar, 2009, Fundamentos de Aire Acondicionado y Refrigeración 12.

(32) 2.3.3. Máquina frigorífica. Una máquina térmica inversa puede considerarse a una. máquina frigorífica o a una bomba de calor. Este tipo de máquinas operan de modo cíclico. (FRANCO, 2006) Figura 6. Máquina frigorífica. Fuente: Franco Lijó Juan Manuel, 2006, Manual de Refrigeración En la máquina frigorífica el calor es transportado por medio del fluido refrigerante, el cual por medio de cuatro procesos expulsa el calor desde el foco frío hacia el foco caliente. Primero el gas refrigerante es comprimido, llevando consigo el calor del foco frío y el adquirido en el compresor por el hecho de haberlo comprimido. El segundo proceso consiste en expulsar el calor al medio condensante, denominándose condensación debido a que en este proceso el fluido refrigerante pasa de estado gaseoso ha estado líquido a presión constante. El tercer proceso corresponde a la expansión, en el cual existe una caída de presión con respecto al proceso de condensación. Por último el proceso de vaporización consiste en absorber el calor del foco frío. Figura 7. Máquina frigorífica. Fuente: Franco Lijó Juan Manuel, 2006, Manual de Refrigeración 13.

(33) 2.3.4. Primera ley de la termodinámica aplicada a la máquina frigorífica. La primera. ley de la termodinámica aplicada a la máquina frigorífica se expresa como sigue: 𝛴𝑄𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 − 𝛴𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 0 → (−𝑄𝑐 ) + (+𝑄𝑓 ) − (−𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 ) = 0 −𝑄𝑐 + 𝑄𝑓 + 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 0 → 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑄𝑐 – 𝑄𝑓. (15). (16). Donde: ΣQciclo = calor total del ciclo ΣW ciclo = trabajo total realizado Qc = calor expulsado al medio condensante Qf = calor absorbido en el foco frío 2.3.5. Eficiencia de un sistema frigorífico.. La eficiencia para máquinas térmicas. inversas se procede de dos maneras distintas. Para los sistemas que expulsan calor (refrigeradores) es necesario conocer la cantidad de calor eliminado por unidad de trabajo realizado. Para los sistemas que incorporan calor (calentadores) es necesario conocer cuánto calor es incorporado por unidad de trabajo realizado. Figura 8. Máquina frigorífica. Fuente: Hernández Goribar, 2009, Fundamentos de Aire Acondicionado y Refrigeración La eficiencia de un sistema de refrigeración, denominado EER por sus siglas en inglés (Energy Efficiency Ratio), se define mediante la expresión: 𝑄𝑓. 𝐸𝐸𝑅 = 𝑊. 𝑛𝑒𝑡𝑜. =. 14. 𝑄𝑓 𝑄𝑐. − 𝑄𝑓. (17).

(34) 2.4. Termodinámica aplicada a la refrigeración (SIERRA, 2012). 2.4.1. Comportamiento del vapor refrigerante en correspondencia con la presión y. temperatura de saturación.. La presión y temperatura de saturación de un gas. refrigerante tiene relación entre sí bajo dos situaciones: • Cuando el refrigerante se encuentre en un cambio de fase. • Cuando el refrigerante se encuentre sin transferencia de calor. La temperatura y la presión del refrigerante contenido en un cilindro se estabilizarán una vez que se llegue a un equilibrio térmico con el medio circundante. Es decir el refrigerante, que se encuentra como una mezcla de líquido y vapor, absorberá el calor necesario del medio externo y tendrá una variación en las condiciones antes mencionadas, según el cambio de temperatura ambiente. Por tanto si existiese una variación en la temperatura externa, la presión y la temperatura del refrigerante variarán conforme se logre un equilibrio térmico. 2.4.2. Vaporización y equilibrio térmico de un refrigerante. Supóngase que una masa. de refrigerante R-134a se encuentra en un medio adiabático a -20 °C a presión atmosférica (102 kPa), a esta presión el refrigerante R-134a tiene una temperatura de saturación equivalente a -26 °C. Debido a que el medio circundante se encuentra a una temperatura mayor que el refrigerante por las condiciones expuestas en el párrafo anterior. Figura 9. Vaporización de un refrigerante 134A a presión atmosférica. Fuente: González Sierra, 2012, Refrigeración Industrial Montaje y mantenimiento de instalaciones 15.

(35) El refrigerante absorberá el calor del medio adiabático, sin embargo esta transferencia de calor terminará hasta la completa vaporización del refrigerante. Esta es una descripción del proceso de vaporación. 2.4.3. Regulación de la temperatura de vaporización por medio de la presión. Con la. finalidad de aumentar la temperatura de saturación del refrigerante, será necesario aumentar la presión del refrigerante, en la sección anterior la presión del refrigerante se encontraba a presión atmosférica. Para lograr este cometido es necesario instalar una válvula que nos ayude también a controlar que la presión no aumente más allá del rango necesario. Figura 10. Vapor refrigerante a una presión mayor a la atmosférica. Fuente: González Sierra, 2012, Refrigeración Industrial Montaje y mantenimiento de instalaciones Figura 11. Vapor refrigerante a menor presión que la presión atmosférica. Fuente: González Sierra, 2012, Refrigeración Industrial Montaje y mantenimiento de instalaciones 16.

(36) 2.4.4. Conservación de refrigerante líquido en el evaporador.. Para el efecto es. necesario un acumulador de líquido, cuya función primordial será la de suministrar a la válvula de expansión de refrigerante líquido a presión de condensación. Se considerará antes del detalle más complejo del sistema, que existe una válvula de flotador, cuyo fin será el de activar la salida del refrigerante desde el acumulador de líquido, asimismo la presión del evaporador. Figura 12. Refrigerante líquido en el evaporador. Fuente: González Sierra, 2012, Refrigeración Industrial Montaje y mantenimiento de instalaciones En un sistema real, el dispositivo que controla el flujo del refrigerante líquido hacia el evaporador es la válvula de expansión. Figura 13. Refrigerante vapor y líquido en el serpentín del evaporador. Fuente: González Sierra, 2012, Refrigeración Industrial Montaje y mantenimiento de instalaciones 2.4.5. Ciclo completo de refrigeración. Con la finalidad de completar la descripción. del ciclo de refrigeración con la función de cada una de sus partes, es necesario describir al condensador. Se considera que la función del condensador es la de expulsar el calor 17.

(37) absorbido en el evaporador al medio condensante, el cual puede ser aire o agua. Debido a que el calor sólo puede ser transferido de un cuerpo de mayor temperatura a uno de menor temperatura, el gas debe ser comprimido, para aumentar su presión y por tanto su temperatura, para la expulsión del calor. Se denomina al condensador así, porque en esta etapa el refrigerante cambiará su estado de gas a líquido, tomando en cuenta que la presión será tal que el refrigerante tendrá una temperatura de saturación conforme a la presión establecida. Se dice que la temperatura es constante mientras el refrigerante se encuentre en su cambio de fase. Figura 14. Refrigerante vapor y líquido en el serpentín del evaporador y condensador. Fuente: González Sierra, 2012, Refrigeración Industrial Montaje y mantenimiento de instalaciones 2.4.6 . Descripción de las componentes de un sistema de refrigeración básico. Evaporador: Es un intercambiador de calor, su temperatura estará por debajo a la temperatura del recinto a refrigerar o congelar. Absorberá calor.. . Tubería de aspiración: Se considera a esta tubería de succión, a la que se encuentra en la parte final del evaporador y el principio del compresor. El refrigerante en la tubería se considera sobrecalentado, será conducido a baja presión.. . Compresor: La finalidad del compresor es el de aspirar el gas del refrigerante a baja presión, realizar trabajo sobre el gas, comprimirlo y expulsarlo a alta presión. 18.

(38) . Tubería de descarga: Es la tubería que se encuentra al final del compresor hasta el inicio del condensador. Transporta el refrigerante a una alta presión y una alta temperatura.. . Condensador: Es un intercambiador de calor, cuya temperatura es mayor que la del medio condensante, arroja la temperatura absorbida en el evaporador. En este elemento se da un cambio de fase del fluido refrigerante a alta presión.. . Acumulador de líquido: En este dispositivo el refrigerante se almacena de forma líquida para que pueda ser empleado por la válvula de expansión.. . Tubería de líquido: Esta tubería lleva el refrigerante desde el recipiente de líquido hasta la válvula de expansión, a baja presión.. . Válvula de expansión: Produce una caída de presión en el refrigerante, con la finalidad que descienda la temperatura de saturación en el evaporador. Figura 15. Condiciones del refrigerante en un ciclo de compresión y expansión. Fuente: González Sierra, 2012, Refrigeración Industrial Montaje y mantenimiento de instalaciones 2.5. Diagrama entálpico de los refrigerantes. 2.5.1. Presión-Entalpía. El comportamiento de un refrigerante ante condiciones de. presión se pueden determinar en el diagrama entálpico, es decir, se puede determinar la entalpía, la temperatura de saturación del refrigerante, entropía, volumen específico, porcentaje de vapor en el cambio de fase líquido-vapor, entre otros parámetros importantes. La región que se encuentra a la izquierda de la región del cambio de 19.

(39) estado, representa al refrigerante en estado líquido, se le reconoce como líquido subenfriado. El área que se encuentra en la parte derecha de la región del cambio de estado, representa al refrigerante en estado de vapor, se le reconoce como vapor sobrecalentado. La región comprendida entre la región subenfriada y la región de sobrecalentamiento, se denomina región de cambio de fase o estado, o campana de saturación. En esta región el refrigerante se encuentra en estado líquido y gaseoso. Figura 16. Regiones del diagrama Presión-Entalpía. Fuente: Balboa Joan, 2012, Manual de Instalaciones Frigoríficas El cambio de fase líquido a vapor se da de izquierda a derecha, asimismo el cambio de estado de vapor a líquido se da de derecha a izquierda. Con el fin de definir los porcentajes de vapor que en estos cambios puede tener el refrigerante, se utilizan unas líneas denominadas “título” o “calidad”. Estas líneas van desde la parte superior de la campana de saturación hasta la parte inferior del gráfico, y son casi paralelas a la curva de líquido saturado. En el diagrama las líneas horizontales indican la presión, la cual se mide en una escala logarítmica y las líneas verticales corresponden a la entalpía constante, y se mide en escala decimal. La temperatura se representa en el diagrama según el área donde se encuentre, en la región de líquido subenfriado son casi paralelas a las de entalpía. En la campana de saturación, por el cambio de fase que se produce la temperatura es paralela a la presión. Y finalmente en la de vapor sobrecalentado la línea de temperatura baja hacia la parte inferior del gráfico. La entropía constante se representa por medio de líneas que parten en forma de reflejo a las líneas de vapor saturado, se encuentra en la región de vapor 20.